大功率電弧加熱器關(guān)鍵技術(shù)概述

隆永勝, 袁竭, 姚峰, 趙順洪, 楊斌

(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 超高速空氣動(dòng)力研究所, 四川 綿陽(yáng) 621000)

大功率電弧加熱設(shè)備能夠重現(xiàn)飛行器熱環(huán)境，近似模擬馬赫數(shù)5～馬赫數(shù)20，長(zhǎng)達(dá)數(shù)十分鐘的飛行時(shí)間，可廣泛應(yīng)用于高超聲速巡航和再入飛行器的氣動(dòng)加熱以及外形燒蝕特性研究。幾乎所有航天飛機(jī)、飛船、星際探測(cè)器、各類(lèi)導(dǎo)彈及攔截器、超燃發(fā)動(dòng)機(jī)等防熱材料與結(jié)構(gòu)部件的試驗(yàn)?zāi)M，都需要使用大功率電弧加熱設(shè)備驗(yàn)證其傳/隔熱、熱應(yīng)力/變形、熱匹配、熱操縱性能以及生存能力，因此大功率電弧加熱設(shè)備在航天技術(shù)中占有極其重要的地位[1-2]。

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，世界主要航天大國(guó)均努力謀求超大功率電弧加熱設(shè)備技術(shù)的突破，旨在發(fā)展大型、高壓、大功率電弧加熱設(shè)備，具有足夠的尺度和性能開(kāi)展防熱材料、防熱結(jié)構(gòu)和燃燒室等測(cè)試研究，尤其迫切需要滿(mǎn)足馬赫數(shù)8～馬赫數(shù)12高馬赫數(shù)高超吸氣式飛行器等測(cè)試，如燃燒穩(wěn)定性和燃料混合/停留研究需在接近全尺寸的燃燒室內(nèi)開(kāi)展[3]。美國(guó)曾經(jīng)提出發(fā)展單臺(tái)或5臺(tái)組合式電弧加熱器構(gòu)想以實(shí)現(xiàn)400 MW的超大功率[4]，但后來(lái)由于多種原因沒(méi)有實(shí)施。超大功率電弧加熱設(shè)備研發(fā)不僅涉及投資規(guī)模及工程技術(shù)問(wèn)題，還有一系列關(guān)鍵技術(shù)需要攻克。

1 大功率電弧設(shè)備概況

電弧加熱設(shè)備主要包括電弧加熱器及電弧風(fēng)洞，電弧風(fēng)洞為電弧加熱器后連接較大的膨脹噴管、試驗(yàn)段、擴(kuò)壓器、冷卻器及真空排氣系統(tǒng)組成。電弧風(fēng)洞模擬飛行高度高、動(dòng)壓低，流場(chǎng)截面大。電弧加熱器也可單獨(dú)用于大氣壓下的自由射流試驗(yàn)，模擬動(dòng)壓高。電弧加熱器通常采用可控硅直流整流電源，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分為：磁旋式(Magnetically-stabilized)、管式(Huels)、長(zhǎng)分段式(Long-Segment)、片段組合式(Hybrid)以及片式(Multi-Segment)電弧加熱器，最大焓值可依次提高[5]，常用為管式(見(jiàn)圖1)和片式電弧加熱器(見(jiàn)圖2)[1]。

圖1 管式電弧加熱器示意圖[1]

圖2 片式電弧加熱器示意圖[1]

美國(guó)、中國(guó)、俄羅斯及歐盟擁有50 MW以上大功率電弧加熱器，20世紀(jì)60年代，美國(guó)NASA Ames中心最先研制了低壓片式電弧加熱器，1974年建成了60 MW片式電弧加熱器[6]，用于航天飛機(jī)試驗(yàn)?zāi)M。2014年整合NASA JSC中心的10 MW量級(jí)TP3電弧加熱器，可用于氮?dú)?二氧化碳混合氣體試驗(yàn)，開(kāi)展火星探測(cè)器、獵戶(hù)座計(jì)劃試驗(yàn)研究[7]。1987年至1992年建設(shè)了50 MW的管式電弧加熱器(電源功率100 MW)直連式超燃發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)設(shè)施(DCAF)[8]。美國(guó)Wright空軍飛行動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室在20世紀(jì)60年代研制了50 MW管式電弧加熱器(AFFDL-50 MW)[9-10]，實(shí)際運(yùn)行功率為42 MW，1972年Wright空軍基地(WPAFB)研制了50 MW的再入端頭(RENT)管式加熱器。在20世紀(jì)80年代，將AFFDL和RENT兩座50 MW管式電弧加熱器搬入空軍阿諾德工程發(fā)展中心(AEDC)，分別更名為H2和HR電弧加熱器，H2擴(kuò)展為50 MW電弧風(fēng)洞[11]。在20世紀(jì)70年代早期，美國(guó)AEDC開(kāi)發(fā)高壓片式電弧加熱器，1976年研制了H1高壓片式電弧加熱器(30 MW)，在此基礎(chǔ)上，1995年研制了H3高壓片式電弧加熱器(70 MW，20 MPa)，主要用于國(guó)防部洲際彈道導(dǎo)彈(ICBM)高壓、高熱流模擬。美國(guó)利用這些電弧加熱設(shè)備開(kāi)展了雙子星、阿波羅飛船、航天飛機(jī)、獵戶(hù)座、火星探測(cè)器、機(jī)動(dòng)再入飛行器、通用宇航飛行器、潛射三叉戟系統(tǒng)、超聲速攔截器、先進(jìn)超聲速武器熱防護(hù)系統(tǒng)及超燃發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室性能試驗(yàn)研究和驗(yàn)證[1,4,12]。圖3顯示了電弧加熱器的模擬高度-速度(h-v)范圍圖。

圖3 大型電弧加熱設(shè)備試驗(yàn)?zāi)M范圍

歐洲航天局(ESA)因Hermes航天飛機(jī)計(jì)劃，2001年意大利宇航研究中心(CIRA)建成70 MW低壓片式電弧加熱器的等離子體風(fēng)洞(Scirocco PWT)[13]。20世紀(jì)50至60年代前蘇聯(lián)發(fā)展了多電極頭組合的磁旋式電弧加熱器，在20世紀(jì)70年代末俄羅斯TSNIIMash建設(shè)了U15-T-1，U15-T-2大功率電弧加熱器，其最大功率50 MW[14]。該類(lèi)電弧加熱器因運(yùn)行電壓低、電流很大，不容易模擬高焓熱環(huán)境因此應(yīng)用受到限制。我國(guó)在2010年后成功研制大功率管式和片式電弧加熱器，在高焓、高壓、高效率、大電流等方面取得了一系列技術(shù)突破。氣體流量達(dá)到28 kg/s，駐室壓力超過(guò)15 MPa，噴管直徑達(dá)到1 500 mm[15]。

當(dāng)今高超聲速滑翔飛行器、巡航飛行器、星際探測(cè)器的迅速發(fā)展，在更快、更遠(yuǎn)、更機(jī)動(dòng)的機(jī)身/推進(jìn)/熱防護(hù)系統(tǒng)一體化、精細(xì)化設(shè)計(jì)要求越來(lái)越高的背景下，電弧加熱設(shè)備作為目前唯一能夠提供高超聲速飛行器高焓、長(zhǎng)時(shí)間氣動(dòng)熱環(huán)境試驗(yàn)?zāi)M的地面設(shè)備，將進(jìn)一步發(fā)揮重要的作用。

2 大功率電弧設(shè)備需求分析

高超聲速飛行環(huán)境模擬相似參數(shù)包括馬赫數(shù)、總焓、雷諾數(shù)、氣流速度、模型表面壓力、熱流、剪切力及梯度、總加熱量及加熱時(shí)間等。電弧加熱設(shè)備由于功率和壓力等限制，通常降低模擬馬赫數(shù)獲得較高的表面壓力和加熱速率以模擬局部壓力、恢復(fù)焓及熱流等參數(shù)，很難模擬馬赫數(shù)、靜焓、湍流、激波強(qiáng)度、輻射加熱、壓力梯度及動(dòng)能分布。一般將地面測(cè)試數(shù)據(jù)用于熱防護(hù)系統(tǒng)(TPS)設(shè)計(jì)，但該方法對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果是否給予充分補(bǔ)償尚不完全清楚，導(dǎo)致地面-飛行可追溯性存在較大的不確定性和風(fēng)險(xiǎn)。因此，一方面需要基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)展較完善的數(shù)理模型支撐TPS的設(shè)計(jì)；另一方面也要提高電弧加熱設(shè)備能力實(shí)現(xiàn)高保真試驗(yàn)?zāi)M[12,16]。如高馬赫數(shù)吸氣巡航飛行器熱防護(hù)材料與結(jié)構(gòu)燒損可能引發(fā)的氣動(dòng)特性變化研究，要求對(duì)燃燒室推力測(cè)試更加嚴(yán)格，這基本需要完全復(fù)現(xiàn)飛行狀態(tài)，即使是采用直連式試驗(yàn)，也要求電弧加熱器具備更高的駐室壓力和超大功率的氣流加熱能力[3,17]。 美國(guó)AEDC電弧加熱器H3現(xiàn)有的駐室壓力即使運(yùn)行到20 MPa，其模擬能力也存在不足(見(jiàn)圖4)，因此需要提高電弧加熱器運(yùn)行駐室壓力，其發(fā)展目標(biāo)為25 MPa，以實(shí)現(xiàn)陡峭再入軌道飛行器鼻錐壓力90%的模擬，以及馬赫數(shù)8以上高馬赫數(shù)超燃發(fā)動(dòng)機(jī)直連式試驗(yàn)?zāi)M，并計(jì)劃開(kāi)發(fā)200～400 MW的超大功率電弧加熱器[1,18]。NASA Ames也多次提及設(shè)計(jì)300 MW高壓電弧加熱器。雖然目前這些計(jì)劃的進(jìn)展未見(jiàn)披露，但不可否認(rèn)，其核心技術(shù)的研發(fā)一直沒(méi)有中斷，并實(shí)質(zhì)性地開(kāi)展了大量有關(guān)電弧控制、電極燒損和輻射損失方面的基礎(chǔ)研究工作[19-20]。

圖4 飛行狀態(tài)與H3電弧加熱器試驗(yàn)狀態(tài)對(duì)比[16]

高壓、高焓、長(zhǎng)時(shí)間的飛行器試驗(yàn)?zāi)M需求必然會(huì)進(jìn)一步提高電弧加熱器的運(yùn)行參數(shù)，主要表現(xiàn)在提升電弧功率、駐室壓力和運(yùn)行時(shí)間以及進(jìn)一步改善流場(chǎng)品質(zhì)上。目前囿于投資規(guī)模、投資效益，超大功率電弧加熱器技術(shù)難度及技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的考慮，世界上還未見(jiàn)公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)報(bào)道建成功率大于100 MW且運(yùn)行壓力超過(guò)20 MPa的高焓電弧加熱器。隨著各類(lèi)新型高超聲速飛行器、星際探測(cè)技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)超大功率電弧加熱器(>100 MW)的需求是不容質(zhì)疑的。

3 關(guān)鍵技術(shù)

超大功率電弧加熱器在研制上存在諸多技術(shù)難題，包括設(shè)計(jì)方法、高壓、大電流低燒損、高效率、高焓技術(shù)、長(zhǎng)時(shí)間、低污染和流場(chǎng)穩(wěn)定性等。涉及流體力學(xué)、等離子體物理、電磁場(chǎng)、工程熱物理、機(jī)械設(shè)計(jì)、材料學(xué)、高電壓與絕緣、控制工程、測(cè)試計(jì)量等學(xué)科。為了實(shí)現(xiàn)電弧加熱器高焓、高壓、大電流等極端條件下的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，滿(mǎn)足多種類(lèi)型高超聲速飛行器不同飛行軌道熱環(huán)境的相似模擬需求，需要解決的主要關(guān)鍵技術(shù)包括：大功率電弧加熱器設(shè)計(jì)方法、高壓技術(shù)、大電流技術(shù)、高效率技術(shù)、高焓技術(shù)等。

3.1 大功率電弧加熱器設(shè)計(jì)方法

3.1.1 比例相似定律設(shè)計(jì)方法

該方法采用大量的簡(jiǎn)化假設(shè)，利用量綱分析結(jié)合音速流公式、能量守恒、沙哈方程及恒溫模型獲得電弧加熱器設(shè)計(jì)的相似準(zhǔn)則和比例縮放規(guī)律，通過(guò)前期試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)回歸分析可進(jìn)一步獲得焓值與電流、電壓與壓力、電壓與電流的相互定量關(guān)系來(lái)指導(dǎo)設(shè)計(jì)[21-22]。該方法在設(shè)計(jì)研究中使用方便，如AEDC的H3，H2等電弧加熱器都是由比例相似定律發(fā)展而來(lái)，但是實(shí)際調(diào)試結(jié)果表明與比例相似定律具有一定差距[8,17]。因此需要發(fā)展更為復(fù)雜的相似準(zhǔn)則關(guān)系，美國(guó)采用ARCFLO和SWIRLARC軟件數(shù)值模擬的方法建立加熱器內(nèi)部流動(dòng)、電氣、輻射傳熱、幾何參數(shù)等之間的關(guān)系，根據(jù)計(jì)算結(jié)果結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得更為準(zhǔn)確的比例相似定律指導(dǎo)設(shè)計(jì)[6,22-23]。

在采用比例相似定律設(shè)計(jì)電弧加熱器時(shí)，必需注意相似參數(shù)的使用條件和應(yīng)用范圍。大功率電弧加熱器的性能極限還取決于在高電流密度和高壓下的運(yùn)行能力，以及受最大換熱能力和絕緣性能的限制。

3.1.2 數(shù)值模擬設(shè)計(jì)方法

20世紀(jì)60年代初，NASA Ames中心開(kāi)發(fā)了計(jì)算軟件ARCFLO，1978年麥道公司(McDonnell Douglas)將其修改為SWIRLARC[24]。經(jīng)過(guò)多人的補(bǔ)充完善，目前發(fā)展為ARCFLO4，減少了簡(jiǎn)化假設(shè)，建立了流場(chǎng)與電極表面帶非平衡效應(yīng)的近電極模型、湍流及旋渦破裂模型、多維輻射模型、電弧通道預(yù)測(cè)模型，求解完全N-S方程、麥克斯韋方程，解決流體力學(xué)、電磁學(xué)、熱傳導(dǎo)多物理場(chǎng)耦合問(wèn)題[25-31]。該軟件數(shù)值模擬方法與試驗(yàn)結(jié)果經(jīng)過(guò)多輪迭代優(yōu)化，軟件的模擬精度滿(mǎn)足工程使用要求，為美國(guó)大功率電弧加熱器的設(shè)計(jì)和參數(shù)預(yù)測(cè)提供了有力的技術(shù)支持。

國(guó)內(nèi)在大型電弧加熱器軟件開(kāi)發(fā)方面幾乎處于空白。因此，在電弧加熱器數(shù)值模擬及軟件開(kāi)發(fā)上，需要電弧加熱器應(yīng)用單位與等離子體物理研究工作者共同合作，由應(yīng)用單位提供工程需求和試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，后者結(jié)合理論分析與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件的開(kāi)發(fā)。

3.1.3 電弧加熱器布局設(shè)計(jì)

1) 單臺(tái)方案。目前單臺(tái)管式電弧加熱器的最大功率達(dá)到50 MW以上，單臺(tái)片式電弧加熱器的運(yùn)行功率達(dá)到70 MW量級(jí)。通過(guò)單臺(tái)電弧加熱器進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)超大功率技術(shù)難度較大，必須在電弧加熱器結(jié)構(gòu)及運(yùn)行技術(shù)進(jìn)行大幅度改進(jìn)，尤其是在大電流分流、電極抗燒損、高電壓絕緣、壓縮片片間耐壓擊穿性能、大口徑管內(nèi)電弧運(yùn)行穩(wěn)定性等方面均需要提高。

2) 組合方案。采用多套電弧加熱器并聯(lián)運(yùn)行方式，如Lewis研究中心采用4套小型電弧加熱器并聯(lián)組合運(yùn)行[32]。法國(guó)Aerospatiale公司也研究過(guò)采用4套5 MW電弧加熱器相互垂直連接到混合室(代號(hào)JP200)，噴管垂直于組合加熱器組成的平面，每套電弧加熱器單獨(dú)供電[33]。AEDC提出采用5臺(tái)H3電弧加熱器并聯(lián)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)400 MW功率的方案，目前該項(xiàng)技術(shù)并沒(méi)有開(kāi)展試驗(yàn)驗(yàn)證工作。

多套電弧加熱的組合降低了單臺(tái)超大功率電弧加熱器研制技術(shù)難度，減少了單臺(tái)電弧加熱器帶來(lái)的氣流波動(dòng)，提高了流場(chǎng)均勻性，但存在設(shè)備操作、維護(hù)難度增大及熱損失增加等不利因素。組合式電弧加熱系統(tǒng)可采用多套電源分別給對(duì)應(yīng)的每套電弧加熱器供電和一套電源對(duì)多套電弧加熱器供電的方案。采用多套獨(dú)立電源供電避免了各套電弧加熱器相互耦合，但增加了變壓器、整流器、電抗器、電纜及控制系統(tǒng)等硬件設(shè)施的建設(shè)成本。采用一套電源供電基礎(chǔ)設(shè)施簡(jiǎn)單，但各套加熱器通過(guò)一套回路相互耦合，每套加熱器的波動(dòng)將會(huì)影響其他加熱器的穩(wěn)定工作。電弧加熱器的順序啟弧或同時(shí)啟動(dòng)、運(yùn)行對(duì)其他電弧加熱器的電弧參數(shù)耦合變化影響，對(duì)電源是趨于穩(wěn)態(tài)還是造成失穩(wěn)均需要進(jìn)行理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。

我國(guó)在電弧加熱器設(shè)計(jì)方法研究方面一直比較欠缺，通常沿用比例相似定律設(shè)計(jì)方法進(jìn)行新型大功率電弧加熱器的設(shè)計(jì)，然后開(kāi)展大量的試驗(yàn)調(diào)試，根據(jù)調(diào)試結(jié)果修正設(shè)計(jì)方法，這更多的是一種靠經(jīng)驗(yàn)積累的技術(shù)發(fā)展途徑。因此，需要深入分析電弧加熱器內(nèi)流機(jī)理，開(kāi)展單臺(tái)電弧加熱器設(shè)計(jì)分析計(jì)算軟件的開(kāi)發(fā)；同時(shí)針對(duì)多臺(tái)電弧加熱器、電源、電抗器、電阻等并聯(lián)運(yùn)行電路進(jìn)行數(shù)值仿真，形成系統(tǒng)分析方法，指導(dǎo)大功率電弧加熱器的設(shè)計(jì)和促進(jìn)并聯(lián)運(yùn)行技術(shù)的發(fā)展。

3.2 高壓技術(shù)

Felderman等[34]建立了高壓條件下近電極壁面區(qū)的物理模型，與低壓不同，高壓電子鞘層電流更為集中，造成焦耳加熱嚴(yán)重。由于測(cè)試?yán)щy，通過(guò)研究計(jì)算表明[20,27,35]，隨駐室壓力從2 MPa升到6 MPa，電弧的直徑減小約3倍。在電流18 000 A、5 MPa時(shí)，弧根弧斑直徑僅為1.1 mm，壓力增加到20 MPa時(shí)，弧斑直徑減小約50%，電流密度和能量密度更高，電極表面溫度升高，線(xiàn)燒蝕率增加20%，由于弧斑直徑很小，質(zhì)量燒蝕率降低約50%。雖然采用電磁場(chǎng)、旋轉(zhuǎn)氣流等措施強(qiáng)迫弧根旋轉(zhuǎn)，但高壓下弧根阻力系數(shù)增大，旋轉(zhuǎn)速率降低，線(xiàn)燒損率加劇，造成電極局部深溝槽刻蝕燒穿而失效。在高壓下電極一旦燒損穿孔失效，電弧及高溫高壓氣體直接進(jìn)入冷卻水通道，使冷卻水受熱急劇汽化膨脹，造成電極外殼及冷卻水管炸裂，出現(xiàn)極大的危險(xiǎn)。

因此，大功率電弧加熱器運(yùn)行壓力越高技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)越大。目前常用的2類(lèi)電弧加熱器中，在低功率條件下，管式電弧加熱器結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，密封環(huán)節(jié)少，更容易實(shí)現(xiàn)高壓。如美國(guó)麥道公司的MDC300管式電弧加熱器的運(yùn)行壓力達(dá)到25 MPa，但是其運(yùn)行功率只有10 MW[36]。美國(guó)AEDC的H1片式電弧加熱器(30 MW)設(shè)計(jì)壓力25 MPa，實(shí)際運(yùn)行到了16 MPa，以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的H3 70 MW片式電弧加熱器運(yùn)行壓力為20 MPa，H3 II短型片式電弧加熱器為研發(fā)25 MPa、145 MW全尺寸電弧加熱器的電絕緣、密封、熱流載荷(≈56.8 MW/m2)的可行性提供參考評(píng)定[3]，但目前未見(jiàn)進(jìn)展報(bào)道。當(dāng)前我國(guó)50 MW量級(jí)管式電弧加熱器最大駐室壓力達(dá)到了15 MPa，片式電弧加熱器運(yùn)行壓力更低，在模擬高動(dòng)壓飛行狀態(tài)還有較大差距。

電弧加熱器在高壓下運(yùn)行的不利因素主要有：①電弧高壓下弧柱變細(xì)，穩(wěn)定性變差；②旋轉(zhuǎn)氣流壓力梯度減小，對(duì)電弧徑向壓縮減弱，導(dǎo)致電弧不穩(wěn)定，容易與壁面短路，造成壓縮片串弧燒壞；③電弧電壓梯度隨壓力增大而增大，容易造成片間擊穿；④弧斑變小，旋轉(zhuǎn)速率降低，線(xiàn)燒蝕率加?。虎蓦娀?duì)電極壁面?zhèn)鳠崃吭黾?，熱?fù)荷加大，熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力雙重疊加，造成電極變形結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

提高電弧加熱器運(yùn)行壓力，需要開(kāi)展的研究工作包括：①電弧高氣壓下電弧放電機(jī)理、弧根與磁場(chǎng)、氣流的作用關(guān)系研究；②高壓條件下電極的傳熱、熱/機(jī)械強(qiáng)度分析，發(fā)展高溫、高壓設(shè)計(jì)技術(shù)；③研制復(fù)合電極材料及發(fā)展微結(jié)構(gòu)電極，采用磁擴(kuò)散技術(shù)分散電弧弧斑，減小線(xiàn)燒蝕率；④發(fā)展電弧加熱器高壓運(yùn)行安全監(jiān)控方法，在電極薄弱位置設(shè)置應(yīng)變、溫度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電弧電參數(shù)，電極冷卻水溫升、燒損變形等，對(duì)故障進(jìn)行預(yù)判，減少電極及水管炸裂風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 大電流技術(shù)

為了保持電弧加熱器高焓氣流的模擬能力，增大電弧加熱器功率的同時(shí)需要增大電流，因此超大功率離不開(kāi)大電流。大電流將加重電極燒損，縮短使用壽命，甚至不能達(dá)到飛行器全彈道的熱模擬考核時(shí)間。研究電極材料傳熱及燒損機(jī)制有利于延長(zhǎng)大電流工況下電極壽命。為了解決電極燒蝕的問(wèn)題，研究者從大電流電極影響因素、電弧運(yùn)動(dòng)特性、電極燒蝕特性、電極傳熱傳質(zhì)、電極燒蝕機(jī)理、電流分流技術(shù)、電極冷卻技術(shù)等方面開(kāi)展了大量研究。

大電流下電極燒蝕影響因素方面，Benilov等[37-39]研究了弧斑電流密度與總電流的關(guān)系，研究結(jié)果表明，電流密度幾乎與總電流無(wú)關(guān)，但是總電流增加造成弧斑熱量輸入、電極溫度、燒蝕速度急劇增加。Puchkarev等[38,40]研究了駐室壓力對(duì)電流密度的影響，研究表明增加駐室壓力，電流密度增加，大氣壓下電流密度約108 A/m2，當(dāng)壓力增加到20 MPa時(shí)電流密度增加到1 010 A/m2。高壓、大電流計(jì)算結(jié)果表明不同壓力下電極電流密度的分布近似[20]。Arustamov等[41]研究了電流與電極溫度的關(guān)系，研究表明，電極溫度升高，離子電流比例增加，電子電流減小，電極溫度增加2%～5%，電子電流降低一個(gè)數(shù)量級(jí)；Castro等[42]研究表明，不同駐室壓力下電極溫度不同，低壓下電極溫度比離子、氣體溫度高2個(gè)數(shù)量級(jí)，高壓下電極溫度與離子、氣體溫度基本相同。很多研究表明，電流大小對(duì)燒蝕速率影響較大，電流增加燒蝕速率迅速增加。

為了獲得旋轉(zhuǎn)電弧對(duì)電極的持續(xù)加熱時(shí)間，對(duì)電弧的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及運(yùn)動(dòng)速度開(kāi)展了研究，Sheeley等[43]研究了AEDC H3高壓電弧加熱器中磁場(chǎng)對(duì)電弧旋轉(zhuǎn)速率的影響，通過(guò)在電弧加熱器尾部安裝光學(xué)玻璃，采用高速攝影機(jī)觀(guān)察并獲得弧根運(yùn)動(dòng)形態(tài)和電弧旋轉(zhuǎn)速率隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化情況。Dubreus等[12]根據(jù)給定磁場(chǎng)線(xiàn)圈和電流參數(shù)，計(jì)算得到旋轉(zhuǎn)速率與磁場(chǎng)力的函數(shù)關(guān)系，并對(duì)電弧的阻力系數(shù)進(jìn)行了估算，阻力系數(shù)與駐室的壓力相關(guān)。對(duì)AEDC H3電弧加熱器運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化及電極進(jìn)行改進(jìn)，燒蝕率減少了90%以上，圖5所示。Rudolf等[44]發(fā)展了一種電磁線(xiàn)圈測(cè)試探頭，用于測(cè)量弧根旋轉(zhuǎn)速度，以建立電弧旋轉(zhuǎn)速率模型以及燒損模型。Essiptchouk等[45]研究表明電弧的運(yùn)動(dòng)速度在20～150 m/s時(shí)，電極的燒蝕量減少，低于或高于這個(gè)速度范圍，燒損將加重，但這個(gè)速度范圍不是絕對(duì)的，也與電弧加熱器的運(yùn)行特性和冷卻傳熱效果相關(guān)聯(lián)。Milos等[46]根據(jù)對(duì)Ames干擾加熱設(shè)備(IHF)電弧的研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)電弧電流密度的增加將使電弧弧根變得更加不穩(wěn)定，弧根的尺寸和旋轉(zhuǎn)速度更加不確定。對(duì)光滑和跳躍運(yùn)動(dòng)模式2種極限狀態(tài)的電極傳熱進(jìn)行了分析，為電極的設(shè)計(jì)給出了無(wú)量綱結(jié)果。

圖5 電極燒損對(duì)比

電極燒蝕的本質(zhì)是電極的受熱和破壞過(guò)程，因此很多學(xué)者從電極燒蝕特性、電極傳熱傳質(zhì)、電極燒蝕機(jī)理方面研究了大電流下電極燒蝕。Marotta等[47]以電極表層溫度作為熔化產(chǎn)生燒蝕判據(jù)建立燒蝕的數(shù)學(xué)模型。通過(guò)半無(wú)限長(zhǎng)一維瞬態(tài)傳熱模型計(jì)算了電極發(fā)生燒蝕的時(shí)間判據(jù)。Felderman等[34,48]建立了電極在旋轉(zhuǎn)電弧周期加熱條件下，熔化、蒸發(fā)、沸騰過(guò)程造成質(zhì)量損失的分析模型。Webb等[49]在此基礎(chǔ)上加入了表面剪切對(duì)燒損的影響。Sheeley[43]研究指出，電極燒蝕的主要原因不是熔化損失，而是因?yàn)殡姌O表面形成氧化皮，氧化皮被燒蝕是主要的燒蝕機(jī)制，Cu可通過(guò)氧化膜形成導(dǎo)電通道從而改變電弧運(yùn)動(dòng)特性。薄的氧化膜增加了陰極點(diǎn)的機(jī)動(dòng)性，運(yùn)動(dòng)趨向于連續(xù)運(yùn)動(dòng)，而厚的氧化膜，導(dǎo)致跳躍式運(yùn)動(dòng)和不規(guī)則的駐留，造成電極的燒損。Jochen等[50-51]提出了大電流下電極燒蝕的熔滴濺射模型，模型指出大電流下的燒蝕與小電流不同，大電流燒蝕主要是熔化濺射而非燒蝕氣化。Yuan等[52-53]根據(jù)大功率電弧加熱器的運(yùn)行環(huán)境，優(yōu)化了熔滴濺射模型，研究指出燒蝕主要由熔化濺射產(chǎn)生，同時(shí)氣流、熔池、弧根的作用力平衡對(duì)燒蝕速率影響較大。Valerian[54]建立了旋轉(zhuǎn)電弧的傳熱模型，給出了一種計(jì)算電極表面沿時(shí)空溫度發(fā)展的方法，該方法考慮了歷次電弧旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的溫度場(chǎng)及傳熱積累，能預(yù)測(cè)達(dá)到穩(wěn)態(tài)傳熱、溫度平衡電弧所旋轉(zhuǎn)的次數(shù)。

為解決大電流燒損問(wèn)題，發(fā)展了多電極電流分流技術(shù)。70 MW量級(jí)的片式電弧加熱器無(wú)一例外采用了多電極形式分擔(dān)大電流，如AEDC采用6對(duì)12個(gè)電極，NASA Ames片式電弧加熱器采用了8對(duì)16個(gè)電極，意大利CIRA Scirocco采用9對(duì)18個(gè)電極實(shí)現(xiàn)電流分流，設(shè)計(jì)總電流達(dá)到了9 000 A[20]，也是當(dāng)前世界上片式電弧加熱器的最大設(shè)計(jì)電流。即使利用有限空間設(shè)計(jì)更多的薄電極分擔(dān)更大的電流，但是電極數(shù)量也有一個(gè)限制，如果進(jìn)一步增加電極的數(shù)量將給電極布局、電流分流、運(yùn)行穩(wěn)定性等帶來(lái)不利影響。雖然多電極分流技術(shù)有效地減少了電極燒蝕，但是該技術(shù)目前只適用于較低的駐室壓力，當(dāng)駐室壓力增加，電弧弧阻增加，電弧不穩(wěn)定容易導(dǎo)致串弧，使電流分流失效。

另外，為了降低電極溫度以減少燒蝕，開(kāi)展了電極冷卻技術(shù)研究。在極端熱流冷卻傳熱情況下，Shope等[55]采用改進(jìn)的耦合傳導(dǎo)-對(duì)流程序，包含凹表面臨界熱流隨冷卻水速度、飽和溫度和法向加速度的關(guān)系，指出過(guò)冷強(qiáng)迫對(duì)流、核沸騰換熱是冷卻的主要機(jī)制，涉及的復(fù)雜耦合及高度非線(xiàn)性過(guò)程難以預(yù)測(cè)。研究結(jié)果可用于指導(dǎo)高壓20 MPa、高熱流110 MW/m2噴管，以及月牙結(jié)構(gòu)的高熱流電極冷卻設(shè)計(jì)。

國(guó)內(nèi)在電弧加熱器的大電流方面，最大電流為6 000 A，與國(guó)外的9 000 A相比還有差距。在研制超大功率、高壓電弧加熱器的過(guò)程中，需要開(kāi)展高氣壓、大電流條件下磁場(chǎng)、旋轉(zhuǎn)氣流、電極表面溫度、電極表面特性對(duì)弧根運(yùn)動(dòng)的影響研究，以及弧根運(yùn)動(dòng)模式、運(yùn)動(dòng)速度對(duì)電極傳熱、燒損的影響研究。掌握相關(guān)規(guī)律，避免弧斑刻蝕、跳躍模式，建立相應(yīng)的電極燒蝕數(shù)理模型，評(píng)估電極的熱負(fù)荷，開(kāi)展試驗(yàn)驗(yàn)證，提高大電流、高氣壓條件下電極的壽命。

在大電流電極設(shè)計(jì)上，電極的傳熱冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為圓弧的月牙形凹表面，冷卻水在凹表面流動(dòng)產(chǎn)生的離心力帶走壁面沸騰的氣泡，從而加強(qiáng)換熱。當(dāng)大功率、大電流、高焓、高壓電弧加熱器的電極和噴管喉道熱流超過(guò)冷卻水的傳熱極限，則需要進(jìn)一步創(chuàng)新電極設(shè)計(jì)，發(fā)展蒸騰冷卻、氣膜冷卻、熱管冷卻等技術(shù)。

在磁場(chǎng)設(shè)計(jì)方面，由于當(dāng)前的磁場(chǎng)線(xiàn)圈的電源與電弧加熱器串聯(lián)，導(dǎo)致磁場(chǎng)參數(shù)與運(yùn)行的試驗(yàn)狀態(tài)不一定匹配。因此可以采用磁場(chǎng)線(xiàn)圈單獨(dú)供電的模式，既確保磁場(chǎng)參數(shù)根據(jù)電弧加熱器運(yùn)行參數(shù)、電極表面特性將電弧弧根的運(yùn)動(dòng)速度控制在低燒損范圍，也防止磁場(chǎng)太強(qiáng)導(dǎo)致電弧震蕩或吹出電極而熄滅。

在電極燒損監(jiān)測(cè)方面，可采用非接觸光譜測(cè)量技術(shù)，對(duì)流場(chǎng)中水、銅離子濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，分析電極的燒損狀態(tài)，對(duì)故障做出預(yù)判[56-58]，并進(jìn)行連鎖控制。

3.4 高效率技術(shù)

對(duì)于整個(gè)電弧加熱系統(tǒng)的效率，傳統(tǒng)的飽和電抗器控制的二極管整流電源采用鎮(zhèn)定電阻穩(wěn)弧損耗達(dá)到約50%，加熱器熱損耗大于25%，加熱氣流的效率不足25%，系統(tǒng)總體效率較低，電弧功率越高和氣體流量越小其效率更低。采用可控硅直流整流電源改造后，電源輸出具有下降伏安特性，不需要額外的穩(wěn)弧電阻。如Scirocco大功率電弧加熱設(shè)備除了多電極分流必須的電阻外，并沒(méi)有阻值較大的穩(wěn)弧電阻，從而提高了效率，減少了超大功率電源的投資規(guī)模。

在減小或去除鎮(zhèn)定電阻后，電弧參數(shù)的穩(wěn)定性會(huì)受到一定的影響，為保證起弧和穩(wěn)定電弧，電源直流側(cè)串聯(lián)了直流穩(wěn)弧平波電抗器。傳統(tǒng)的PI閉環(huán)控制模式不能滿(mǎn)足控制的要求，采用非線(xiàn)性反饋+預(yù)測(cè)復(fù)合控制策略，弱化控制系統(tǒng)對(duì)參數(shù)的依賴(lài)性，并減少控制器復(fù)雜度[59-60]。

在高壓、大電流條件下，電弧加熱器壁面熱流急劇增加，麥道公司在段式電弧加熱器(MDC200)的研究數(shù)據(jù)表明[61]，加熱器運(yùn)行在5 MPa時(shí)，電極壁面最大熱流為每平方米幾兆瓦到十幾兆瓦，當(dāng)運(yùn)行到20 MPa時(shí)，電極壁面最大熱流增加到每平方米幾十兆瓦以上，熱損失主要為輻射傳熱方式。峰值熱流隨電流增大線(xiàn)性增大，隨駐室壓力的0.6次方變化，極大的熱損失降低了加熱器的效率，其中80%的熱損失發(fā)生在壓縮段和電極上。

提高電弧加熱器的熱效率技術(shù)難度較大，因?yàn)榻档蜔釗p失與大電流條件下加強(qiáng)電極的換熱，減小表面溫度是相互矛盾的，因此降低熱損失不能影響電極弧根的傳熱，造成電極的燒損。采用的方法是在電弧加熱器內(nèi)流道除了電極外其余部位進(jìn)行隔熱處理，如片式電弧加熱器降低熱損失可以使用絕緣絕熱內(nèi)壁的壓縮片，在壓縮片內(nèi)壁噴涂熱障涂層、反輻射涂層，可減少輻射熱損失。在管式電弧加熱器內(nèi)加入二次氣流以減少對(duì)流換熱，并對(duì)電弧的長(zhǎng)度進(jìn)行精確預(yù)測(cè)，縮短電極的富余長(zhǎng)度以減少熱損失。

3.5 高焓技術(shù)

新一代快速登月或星際返回航天器采用空氣制動(dòng)以實(shí)現(xiàn)減速，其焓值達(dá)到70～90 MJ/kg。這是現(xiàn)有電弧加熱器難以達(dá)到的。NASA Ames、Scirocco PWT焓值達(dá)到45 MJ/kg，要模擬70～90 MJ/kg的焓值，電弧電流將達(dá)到14 000～20 000 A[25]，目前差距還很大。

實(shí)現(xiàn)高焓的手段主要有3個(gè)：①增加電弧電流及電弧功率；②減少氣體流量；③減少熱損失。其中減少氣體流量相當(dāng)重要，但工程實(shí)現(xiàn)的難度較大。根據(jù)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)分析，在減少氣體流量方面，片式電弧加熱器的主要技術(shù)難度在于小流量氣流分配技術(shù)。氣流分配進(jìn)氣環(huán)一般采用聚酰亞胺復(fù)合材料或耐高溫陶瓷材料制作，放置在壓縮片之間起到絕緣和分配壓縮氣流的雙重作用，其上均勻布置的切向進(jìn)氣孔使氣流切向旋轉(zhuǎn)，約束電弧，防止與管壁短路。電弧加熱器高焓運(yùn)行時(shí)需要的總氣流量小、但壓縮通道長(zhǎng)，壓縮片數(shù)量多，平均每個(gè)壓縮片之間分配的氣體流量更小，對(duì)壓縮片中心的電弧旋轉(zhuǎn)壓縮減弱，通常無(wú)法吹離壓縮片之間的氧化物殘?jiān)?，造成短路擊穿[12]。另外，高焓運(yùn)行時(shí)電弧熱輻射使壓縮片間安裝的進(jìn)氣環(huán)溫度升高，導(dǎo)致絕緣和密封失效，氣流不能全部從小孔旋轉(zhuǎn)進(jìn)入，減弱了氣流的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度，進(jìn)一步惡化運(yùn)行條件，導(dǎo)致片間串弧，設(shè)備燒損。

因此，對(duì)于片式電弧加熱器，首先確保進(jìn)氣環(huán)端面可靠密封，使有限的氣流全部從進(jìn)氣環(huán)小孔進(jìn)入；其次需要提高進(jìn)氣環(huán)切向進(jìn)氣孔數(shù)量減小孔徑，提高孔的角度加工精度，使多個(gè)壓縮片間進(jìn)氣速度和旋轉(zhuǎn)流動(dòng)方向一致，形成對(duì)電弧弧柱的良好約束；再次對(duì)進(jìn)氣流量合理分配，根據(jù)電弧弧長(zhǎng)方向的電壓梯度特點(diǎn)針對(duì)性地分配流量，避免發(fā)生片間串弧。

對(duì)于管式電弧加熱器，主要運(yùn)行在低中焓、大流量、高壓參數(shù)范圍，焓值提高的難度較大，可通過(guò)研制耐燒損電極，進(jìn)一步增加電弧電流來(lái)適當(dāng)提高焓值；還有可改進(jìn)前電極結(jié)構(gòu)，探索采用串聯(lián)加熱器布局方式，使氣流獲得二次加熱。

4 結(jié) 論

研制超大功率、高壓電弧加熱器，將遇到高壓條件下物理耦合度加大、電弧穩(wěn)定性變差、電弧旁路擊穿效應(yīng)增強(qiáng)、電極壽命縮短、弧根不穩(wěn)定及弧根運(yùn)動(dòng)熱管理等越來(lái)越突出的問(wèn)題。需在現(xiàn)有大功率加熱器試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)及歸納分析的基礎(chǔ)上進(jìn)一步總結(jié)和優(yōu)化，發(fā)展三維電磁場(chǎng)、流體力學(xué)、等離子體動(dòng)力學(xué)和輻射傳熱耦合的多場(chǎng)數(shù)值模擬計(jì)算方法，研究電導(dǎo)率、磁力、溫度及密度梯度、渦流和近壁影響特性對(duì)電弧穩(wěn)定性的影響，優(yōu)化內(nèi)流、電極傳熱分析模型。開(kāi)展電弧加熱器內(nèi)流參數(shù)預(yù)測(cè)及驗(yàn)證方法研究，內(nèi)流旋渦穩(wěn)定及破裂、旋渦對(duì)電弧的穩(wěn)定機(jī)制研究，近電極電弧作用機(jī)理研究，磁流體(MHD)建模等基礎(chǔ)理論和試驗(yàn)研究工作。建立包括電源、電阻、電感以及電弧加熱器在內(nèi)的完整耦合系統(tǒng)。對(duì)多套電弧加熱器并聯(lián)運(yùn)行技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

大功率電弧加熱器有很多核心技術(shù)需要解決，當(dāng)前我國(guó)處于嚴(yán)峻的國(guó)際形勢(shì)，更需要自主創(chuàng)新，加強(qiáng)相關(guān)基礎(chǔ)理論研究及關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，突破技術(shù)瓶頸。